Charge sharing studies of silicon strip sensors for the CMS phase II upgrade

Abstract

Das CMS Experiment am CERN steht als eines von vier großen Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) vor zahlreichen Herausforderungen. Wissenschaftliche Zielsetzungen, wie Higgs-Präzisionsmessungen und die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells, machen es erforderlich, den LHC mit höherer Luminosität zu betreiben als zuvor. Die daraus erwachsenden Anforderungen müssen von CMS erfüllt werden. Das betrifft einerseits die Strahlenschäden am CMS Detektor und andererseits die erhöhte Anzahl an Kollisionen pro Frequenzintervall, welche die Rekonstruktion der Spuren von entstehenden Zerfallsprodukten erschweren. Mit geplantem Beginn ab 2023 werden im Rahmen des CMS Phase II Upgrades die notwendigen Anpassungen des CMS Detektors durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der CMS Silizium-Tracking-Detektor das Ende seiner vorgesehenen Lebenszeit erreicht haben und vollständig erneuert werden. Die dort neu eingesetzten Siliziumsensoren müssen im extrem strahlungsbelasteten Milieu des High Luminosity LHC störungsfrei funktionieren. Zu diesem Zweck werden künftig, anstelle der aktuell verwendeten n-Typ Sensoren, p-Typ Siliziumstreifensensoren, welche sich insgesamt als stabiler gegenüber Strahlenschäden erwiesen haben, am CMS Tracker eingesetzt werden. Dementsprechend ist das Bestreben groß, p-Typ Siliziumstreifensensoren mit n+-Streifen einsatzbereit für den Betrieb im neuen CMS Tracker zu machen. Diese Sensoren vom Typ n-in-p benötigen eine spezielle Struktur mit hoher p+-Dotierkonzentration, das sogenannte p-stop, zur elektrischen Separation der einzelnen Streifen. Für bestmögliches Sensorverhalten muss das p-stop Layout optimiert werden. Als Hauptziel dieser Arbeit wurden mehrere Prototyp-Sensoren mit verschiedenen p-stop Geometrien und unterschiedlichen Implantationstiefen und Konzentrationen mithilfe eines Lasersystems sowie mit geladenen Teilchen aus einer radioaktiven 90Sr-Quelle getestet. Um diese Tests zu ermöglichen, wurde ein kürzlich erworbenes Sensor-Auslesesystem am Institut für Hochenergiephysik in Wien in Betrieb genommen. Die zugehörige Datenanalysesoftware wurde angepasst und weiterentwickelt, um die Anforderungen, die aus positionsauflösenden Laserscans erwachsen, zu erfüllen. Mit diesem System wurden anschließend Vergleichsstudien mit den Prototyp-Sensoren durchgeführt und Eigenschaften wie die Aufteilung von Ladung zwischen benachbarten Streifen sowie Ladungsverluste an der p-stop Schicht untersucht. Anhand dieser Untersuchungen wird als Abschluss der vorliegenden Diplomarbeit eine mögliche Layoutkonfiguration vorgeschlagen, um die Performance der p-stop Schicht in Bezug auf die untersuchten Parameter zu optimieren. Diese Ergebnisse werden künftig von Bedeutung für weiterführende Entwicklungsschritte auf dem Weg zum neuen CMS Tracker sein.

As one of the four large experiments at the LHC at CERN the CMS experiment is met with many challenges. Physics goals like precision Higgs studies and the search for physics beyond the Standard Model demand for the LHC to run at higher luminosities than before. CMS is now faced with the challenge to fulfil the requirements that come with the High Luminosity LHC. These include the radiation damage to the CMS detector and the increased number of collisions per bunch crossing, which make it more difficult to reconstruct the tracks of resulting decay products. The necessary adaptations to CMS will take place during the CMS Phase II Upgrade scheduled to start in 2023. By this time the CMS silicon tracker will have reached the end of its designated life time and will be replaced entirely. The newly installed silicon sensors have to ensure a smooth operation in the harsh radiation exposed environment of the High Luminosity LHC. For this purpose the CMS tracker will employ p-type silicon sensors, as they are known for a more resilient behaviour under irradiation than the currently installed n-type variant. Thus, high efforts are put into making p-type silicon strip sensors with n+-strip implants fit for the incorporation in the new CMS silicon tracker. These n-in-p type sensors require a special structure of high p+ doping concentration, the so-called p-stop, to electrically separate the individual strips. To achieve the best possible performance of the sensors, this p-stop layout has to be optimised. As the main goal of this thesis I tested a number of prototype sensors with various geometric p-stop layouts and varying implant depths and concentrations, employing an infrared laser system and a 90Sr radioactive charged particle source. To facilitate these tests, I commissioned a newly purchased sensor readout system at the Institute of High Energy Physics in Vienna and adapted and enhanced the data analysis software to fit the needs of position sensitive laser scanning. With this system I subsequently conducted comparative studies with the prototype sensors, investigating properties like charge sharing between neighbouring strips and the phenomenon of charge loss at the p-stop layer. From these investigations, as a conclusion of this thesis, I move on to propose a possible layout configuration to optimise the performance of the p-stop layer with respect to these parameters. The such obtained results will be important for subsequent development steps along the way toward the upgraded CMS tracker.